核电站RPN电气贯穿件典型故障分析与改进
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中广核工程有限公司的研究人员俞纪维，在2016年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，RPN系统是核电站用来确保中子活动得到持久性监测的核仪表系统，其测量准确性要求较高；RPN电气贯穿件作为RPN信号传输回路的关键一环，其质量可靠程度同样备受关注。
本文介绍了某一核电站RPN电气贯穿件的两个典型故障案例，中间量程电缆插头陶瓷绝缘层破损和源量程馈通线特性阻抗超差，分析阐述了故障原因及处理过程，并提出相应改进措施。
核仪表系统（以下简称RPN）用分布于反应堆压力容器外的6个中子探测器来测量反应堆功率、功率变化率以及功率的径向和轴向分布等，是直接关系到核电站反应堆安全的重要系统之一[1]。RPN电气贯穿件是专用于RPN电缆穿越安全壳的数套低压仪表同轴类电气贯穿件[2]。
本文介绍了某一核电站RPN电气贯穿件的中间量程电缆插头陶瓷绝缘层破损和源量程馈通线特性阻抗超差这两个典型故障案例，分析阐述了故障原因及处理过程，并提出相应改进措施，对后续核电站的建设、运行和检修提供经验积累和借鉴支持。
1 RPN电气贯穿件
RPN系统包含源量程、中间量程和功率量程三个类型的测量通道，以实现对反应堆不同阶段功率的连续监测。每台机组RPN系统主要设备包含RPN001AR、RPN002AR、RPN003AR和RPN004AR这4面保护机柜，分别对应ZZZ514WD、ZZZ530WD、ZZZ516WD和ZZZ534WD 共4套RPN电气贯穿件（以下简称贯穿件），相关探头及测量回路通道与之彼此对应，具体对应关系见表1。
其中514、530贯穿件包含8根功率量程（含1根备用）、4根中间量程（含1根备用）和1根源量程共13根测量电缆，而516、534贯穿件则仅包含功率量程测量回路。
表1 RPN主要设备对应关系
RPN电气贯穿件作为RPN信号传输路径上的关键一环，如何保证其连通性和可靠性至关重要。一旦RPN电气贯穿件出现异常，对RPN信号监测的准确程度及对核电站的安全运行将产生重大影响。
2典型故障
2.1中间量程电缆插头陶瓷绝缘层破损
1）RPN中间量程
RPN中间量程测量通道由两个独立的相同测量线路（RPN013MA和RPN023MA）构成，并连接至中子探测器。后者为涂硼γ补偿电离室，提供反应堆在堆功率建立期间的中子计数率，测量范围从2×102~5×1010n/（cm2·s），相当于堆功率从10-6%~100%FP（FP：满功率）。
RPN系统中间量程要求在主管道大破口时依然可用，为保证其可用性，在核岛内使用了1E级K1类的矿物质电缆，其同轴电缆插头与电缆是一体化的，插头内部的绝缘层采用陶瓷材料，可防止电缆绝缘值下降，并兼顾密封和防辐射功能。
2）电缆插头陶瓷绝缘层破损
2012年4月~2012年9月，国内某核电站1号机组在安装、调试过程中，多次发生RPN中间量程测量电缆插头陶瓷绝缘层破损。两组中间量程测量通道核岛内侧总共8根测量电缆，前后5次插拔操作共造成7个RPN电缆插头陶瓷绝缘层破损，另与7个同轴电缆插头相连的贯穿件同轴连接器插座却保持完好。如图1所示，中间量程同轴电缆插头陶瓷绝缘层有明显破损，图2为与电缆插头配套的贯穿件同轴连接器插座。
图1 电缆插头绝缘破损 图2同轴连接器插座
3）分析与处理
（1）影响分析
RPN中间量程传输信号为微电流信号（10-11A~10-3A），其矿物质同轴电缆插头绝缘层破损，甚至轻微破损，都易导致信号丢失。由于电缆插头和电缆是一体化制造的，插头绝缘层破损后现场无法修复，导致整根电缆无法使用，而更换每根电缆的代价都极为昂贵，对工期的影响也较大。
（2）原因分析
RPN电气贯穿件514、530 的B、C、D、E同轴馈通线，属于RPN中间量程测量通道，其核岛内侧使用的同轴连接器插座型号为HN-11K-A，由贯穿件厂家供货，其产品设计制造所依据的标准为国军标GJB 5246（2004）；而核岛内侧使用的中间量程同轴电缆插头型号为Radiall R176 028 500，由RPN系统设备厂家供货，其产品设计制造所依据的标准为美军标MIL-DTL-3643B。
通过比对美军标MIL-DTL-3643B与国军标GJB 5246中对同轴连接器插座尺寸的要求，二者基本一致，不存在较大差异[3-4]。
但比照Radiall产品样本说明发现，Radiall插座的陶瓷绝缘子外径尺寸（A:Ф6.65mm、B:Ф7.35mm，如图3右图所示）比美军标要求的尺寸（A:6.66~6.76 mm、B:7.345~7.47 mm）偏小，由于Radiall插座的陶瓷绝缘子外径小，故插入与其对应Radiall插头（陶瓷绝缘层内径A:Ф6.7mm，B:Ф7.4mm，如图3左图所示）时，插头与插座内的陶瓷间存在一定间隙，不易因挤压产生破损。
而HN-11K-A型插座陶瓷绝缘子的外径尺寸（A: Ф6.7mm、B: Ф7.45mm，如图4所示）与Radiall插头陶瓷绝缘层的内径尺寸（A:Ф6.7mm，B:Ф7.4mm）明显不匹配，当Radiall插头插入HN-11K-A型插座时，可能陶瓷间已不存在任何间隙，且陶瓷绝缘材质较硬，无弹性，通过螺纹拧紧安装时，Radiall插头的陶瓷绝缘层因挤压受力易产生破裂。
图3 Radiall插头（左）与插座（右）尺寸
图4 HN-11K-A型同轴连接器插座陶瓷绝缘子外径尺寸（修改前）
此外，在现场安装时，由于与贯穿件同轴连接器所连接的同轴电缆刚性较强，在与同轴连接器对接时容易出现不同轴的情况，而插座与插头内的陶瓷绝缘间的空隙本身较小，这样的弯曲度及不当插合操作也容易造成插头陶瓷绝缘层挤压破损。
（3）最终处理与试验验证
通过上述分析，可以确认Radiall插头陶瓷绝缘层破损因Radiall插头与HN-11K-A型插座的陶瓷绝缘子尺寸不匹配导致。由于RPN中间量程电缆插头为一体，无法轻易改动，只能改造贯穿件同轴连接器插座。在综合考虑进度、技术要求、成本等因素之后，最终方案选择改造贯穿件同轴连接器插座内陶瓷绝缘子的外径尺寸（修改后尺寸如图5所示，A=B: Ф6.6mm），以匹配同轴电缆插头。
图5 HN-11K-A型同轴连接器插座陶瓷绝缘子外径尺寸（修改后）
最终，8套新贯穿件同轴连接器插座完成加工制作和现场更换（现场更换时注意保证接头对接同轴操作），并经过中间量程绝缘、微电流测试，试验结果满足要求，均未再出现电缆插头绝缘层破损情况。
2.2源量程馈通线特性阻抗超差
1）RPN源量程
RPN源量程测量通道，由两个独立的相同测量线路（RPN014MA和RPN024MA）构成，主要用于反应堆换料、装料启动和临界阶段，其中子探测器为涂硼正比计数器，提供反应堆停堆状态以及初始起堆期间的中子计数率，测量范围约6个数量级（0.1～2×105n/（cm2·s）），相当于堆功率从10-9%～10-3%FP。
2）馈通线特性阻抗超差
2014年11月底，国内某核电站3号机RPN系统进行源量程通道反射计试验验证回路连续性能时，发现反射计曲线于贯穿件处存在明显凸起现象，测得贯穿件源量程馈通线的阻抗达58Ω，相较以往机组数值（基本在52Ω左右）偏高，而RPN系统设备厂家要求源量程通道测量电缆阻抗范围为50±5Ω，贯穿件源量程馈通线特性阻抗与所连接测量电缆阻抗不匹配。
3）分析与处理
（1）影响分析
从回路特性阻抗角度分析，由于RPN源量程信号传输范围大约为0-200000CPS，频率约为0.1MHz，波长约为1680m，相对于电缆和贯穿件长度，传输信号不会在回路中产生驻波，特性阻抗偏大对信号传输的影响可以认为是微乎其微的。
从外接同轴电缆和贯穿件同轴馈通线特性阻抗匹配角度分析，当电缆阻抗与贯穿件阻抗不匹配时，会在贯穿件连接处出现功率损耗。以电缆阻抗50Ω、贯穿件阻抗58Ω推算，功率损耗小于0.05%，阻抗偏差基本不会影响信号的传输功率。
但从RPN系统特定应用角度及其高安全可靠性要求方面考虑，由于RPN源量程信号传输的是低压、脉冲信号，回路特性阻抗对回路中电缆、贯穿件馈通线以及接头之间的特性阻抗匹配性要求较高，其值偏高，除了造成通道信号功率微量损耗外，还会在回路内产生附加的反射波，与正常传输的脉冲信号叠加，造成源量程信号虚高。
（2）原因分析
经调查，RPN电气贯穿件源量程馈通线两侧接头连接正常，单独测量馈通线的特性阻抗偏高，再核查相关文件及控制过程，了解如下：
①电气贯穿件技术规格书只给出馈通线的特性阻抗需满足50Ω的要求，但未给出具体公差；另外，贯穿件技术规格书规定馈通线的线性电阻应不大于外部电缆导体的线性电阻。
②RPN系统设备厂家对其源量程电缆的特性阻抗要求为50±5Ω。
③仪控专业出版测量电缆技术规格书，对于50Ω同轴电缆的阻抗要求为50±3Ω。
④电气贯穿件厂家没有对成品贯穿件馈通线的特性阻抗进行出厂检测，只在采购环节要求其分供商出厂前对整根1000m长同轴馈通线（半硬同轴电缆）的阻抗进行抽检。
（3）最终处理
为避免留下安全隐患，该核电站最终决定更换阻抗偏高的RPN电气贯穿件源量程馈通线，要求特性阻抗按照50±5Ω进行控制。3号机两套贯穿件3ZZZ514WD、3ZZZ530WD和4号机两套贯穿件4ZZZ514WD、4ZZZ530WD源量程馈通线先后完成更换。
同时，作为经验反馈，分别落实设计（确定贯穿件源量程馈通线特性阻抗公差标准）、制造厂（增加贯穿件源量程馈通线特性阻抗测量控制点），并将经验反馈至同类核电站项目，以加强控制。
3改进
基于对上述两个典型故障案例的阐述和分析，可从下列几方面着手改进：
1）标准细化：对一些关键技术参数指标要明确细化，如规定RPN电气贯穿件源量程同轴馈通线特性阻抗及其公差标准。
2）控制精准：制造厂与现场对相关技术指标要求进行精准控制，如增加RPN电气贯穿件源量程馈通线特性阻抗出厂检测项目，合理设计现场检测项目并确保其验证工作的完整性。
3）执行严苛：制造、安装、调试等各阶段的质量控制过程中，均须严格执行相关标准要求。
另外，对现场经验需重视落实反馈，不断优化改进相关产品，注重设计接口交换质量，保证匹配性（如中间量程各接头型号规格尺寸匹配）。
4 结论
RPN核仪表系统是核电站重要的安全系统，其对信号传输回路的可靠性要求较高，作为信号传输关键一环的电气贯穿件，其质量可靠程度同样备受关注。因此，通过积累RPN电气贯穿件的若干典型故障处理经验，从标准细化、控制精准、执行严苛方面着手实施改进，可以大幅提高RPN系统设备运行的安全性与可靠性，对保障核电机组正常启动和安全、经济运行具有重大意义。